เยื่อหุ้มเซลล์และการขนส่ง

ทุกเซลล์ห่อหุ้มด้วย เยื่อหุ้มเซลล์ เราอธิบายโครงสร้างของมันด้วย โมเดลโมเสกเหลว (fluid mosaic model)

ชั้นไขมันคู่ phospholipid bilayer

เยื่อหุ้มสร้างจาก phospholipids เป็นหลัก แต่ละ phospholipid มี hydrophilic (หัวชอบน้ำ) และหาง hydrophobic (หางกลัวน้ำ) 2 เส้น มีน้ำอยู่ทั้งสองข้างของเยื่อหุ้ม phospholipids จึงเรียงตัวเป็นสองชั้น — bilayer — โดยหัวหันเข้าหาภายนอกและภายในที่มีน้ำ หางซ่อนอยู่ตรงกลางห่างจากน้ำ การจัดวางนี้เกิดขึ้นเองเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างส่วน hydrophilic และ hydrophobic

โมเดลนี้เรียกว่า "เหลว" เพราะ phospholipids ไม่ได้ถูกตรึง:พวกมันเลื่อนผ่านกันได้ ทำให้เยื่อหุ้มเคลื่อนที่และงอได้ เรียกว่าเป็น "โมเสก" เพราะมี proteins จำนวนมากกระจายอยู่ในนั้น เหมือนกระเบื้องในภาพ

สิ่งที่ลอยอยู่ในเยื่อหุ้ม

ดังนั้นโมเลกุลเยื่อหุ้มร่วมกันให้ความ stability, ความเหลว, permeability (ควบคุมสิ่งที่ผ่านได้), หน้าที่ขนส่ง, หน้าที่ส่งสัญญาณ และการจดจำเซลล์

เยื่อหุ้มมี partial permeability: อนุญาตให้บางสารผ่านได้ง่ายแต่กั้นบางสาร

เซลล์สื่อสารกันโดย cell signalling ขั้นตอนหลักๆ มีดังนี้:

1. เซลล์หนึ่ง secretes สารเคมีส่งสัญญาณที่เรียกว่า ligand (เช่น hormone)
2. Ligand ถูกพา (มักในเลือด) ไปยัง target cell
3. Ligand จับกับ receptor เฉพาะเจาะจงบนเยื่อหุ้มเซลล์เป้าหมาย รูปร่างของ receptor ตรงกับ ligand นี้เท่านั้น การจับนี้จะกระตุ้นการตอบสนองเฉพาะอย่างภายในเซลล์เป้าหมาย

มีกระบวนการทั้งหมดหกอย่าง บางอย่างเป็น แบบพาสซีฟ (ไม่ต้องการพลังงาน) และบางอย่างเป็น แบบแอคทีฟ (ใช้พลังงานจาก ATP)

การแพร่กระจายแบบง่าย

การแพร่กระจาย คือการเคลื่อนที่สุทธิของอนุภาคจากบริเวณที่มี ความเข้มข้นสูง ไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ จนกว่าจะกระจายตัวเท่าๆ กัน การแพร่กระจายแบบง่าย คือเมื่ออนุภาคทะลุผ่านชั้นไบเลเยอร์ได้โดยตรง ลงตาม ** gradien ความเข้มข้น** มีเพียงโมเลกุลขนาดเล็กหรือโมเลกุลที่ไม่มีความขั้วเท่านั้นที่ทำได้นี้ — เช่น ออกซิเจน และ คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นแบบพาสซีฟ

การแพร่กระจายแบบช่วย

ไอออน ที่มีประจุและโมเลกุลขนาดใหญ่อันมีความขั้ว (เช่น กลูโคส) ไม่สามารถข้ามชั้นไบเลเยอร์ที่เป็นน้ำมันได้ด้วยตัวเอง ใน การแพร่กระจายแบบช่วย พวกเขาจะข้ามผ่านโปรตีนช่องว่างหรือโปรตีนพาหนะ โดยยังคงเคลื่อนที่ลงตาม gradien ความเข้มข้น依然是แบบพาสซีฟ

ออสโมซิส

ออสโมซิส คือการแพร่กระจายของน้ำข้ามเยื่อหุ้มเลือกผ่าน จาก ศักย์น้ำ สูงไปสู่ศักย์น้ำต่ำ เป็นแบบพาสซีฟ

การขนส่งแบบแอคทีฟ

การขนส่งแบบแอคทีฟ เคลื่อนย้ายสาร สวนทาง กับ gradien ความเข้มข้น — จากความเข้มข้นต่ำไปสูง ต้องใช้โปรตีนพาหนะและพลังงานจาก ATP

เอ็นโดไซโทซิสและเอกโซไซโทซิส

สิ่งเหล่านี้เคลื่อนย้ายปริมาณวัสดุจำนวนมากในรูปแบบก้อน ใช้ ATP

• ใน เอ็นโดไซโทซิส, เยื่อหุ้มพับเข้าหาภายในรอบวัสดุและหนีบออกเป็น เวซิกูล เพื่อนำเข้าไปในเซลล์
• ใน เอกโซไซโทซิส, เวซิกูลหลอมรวมกับเยื่อหุ้มและปล่อย محت出自己的ออกนอกเซลล์

เซลล์ดูดซึมและกำจัดสารผ่านพื้นผิว เมื่อวัตถุมีขนาดใหญ่ขึ้น ปริมาตร จะเติบโตเร็วกว่า พื้นที่ผิว ดังนั้นอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรจึง ลดลง เมื่อขนาดเพิ่มขึ้น

สำหรับลูกบาศก์ที่มีด้านยาว $L$:

$L$ ขนาดใหญ่ให้ค่าอัตราส่วนเล็ก นี่คือเหตุผลที่เซลล์ขนาดเล็ก (และรูปร่างบางแบน)แลกเปลี่ยนวัสดุได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่เซลล์ขนาดใหญ่ไม่สามารถพึ่งพาการแพร่กระจายเพียงอย่างเดียวได้

ตัวอย่างวิธีทำ. เปรียบเทียบอัตราส่วนพื้นที่ผิว : ปริมาตรของเซลล์รูปทรงลูกบาศก์ที่มีด้านยาว $4$ กับหนึ่งที่มีด้านยาว $10$

สำหรับด้านยาว $4$: พื้นที่ผิว $= 6 \times 4^2 = 96$ และปริมาตร $= 4^3 = 64$ ดังนั้นอัตราส่วนคือ $96 : 64 = 1.5 : 1$ สำหรับด้านยาว $10$: พื้นที่ผิว $= 6 \times 10^2 = 600$ และปริมาตร $= 10^3 = 1000$ ดังนั้นอัตราส่วนคือ $600 : 1000 = 0.6 : 1$ เซลล์ที่ใหญ่กว่าจะมีอัตราส่วนที่เล็กกว่า ดังนั้นจึงแลกเปลี่ยนวัสดุผ่านพื้นผิวได้ช้ากว่าเมื่อเทียบกับขนาด — นี่คือเหตุผลว่าทำไมสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่จึงต้องการพื้นผิวแลกเปลี่ยนที่จำเพาะ เช่น ปอดและเหงือก

คุณสามารถแสดงสิ่งนี้ได้ด้วยก้อน อะกาเรส ขนาดต่างๆ ที่แช่สีหรือน้ำกรด: ก้อนเล็กที่สุดซึ่งมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงสุด เปลี่ยนสีทั่วทั้งก้อนเร็วที่สุด การแพร่กระจายผ่านวัสดุที่ไม่มีชีวิตยังสามารถศึกษาได้ด้วย ถุง Dialysis (ถุง Visking)

ศักย์น้ำ วัดความน่าจะเป็นที่น้ำจะออกจากสารละลาย น้ำบริสุทธิ์มีศักย์น้ำสูงสุด การเพิ่ม สารละลาย (สารที่ละลายอยู่)会降低它。น้ำ всегдаเคลื่อนที่โดยออสโมซิสจากศักย์น้ำสูงไปต่ำ

เพื่อประมาณค่าศักย์น้ำของเนื้อพืช คุณวางชิ้นส่วนลงในสารละลายซูโครสที่มีศักย์น้ำต่างกัน สารละลายที่ทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลง ในมวลหรือความยาว ไม่มี จะมีศักย์น้ำใกล้เคียงกับเนื้อเยื่อ

ผลต่อเซลล์พืช

• ในสารละลายที่มี ศักย์น้ำสูงกว่า (เช่น น้ำกลั่น), น้ำเข้าสู่เซลล์ เซลล์บวมและกลายเป็น เต็งตัว แต่ผนังเซลล์ที่แข็งแรงป้องกันไม่ให้แตก
• ในสารละลายที่มี ศักย์น้ำต่ำกว่า, น้ำออก เนื้อเยื่อภายในเซลล์หดตัวและเยื่อหุ้มถอยห่างจากผนังเซลล์ — สิ่งนี้เรียกว่า พลาสมอลิซิส

ผลต่อเซลล์สัตว์

เซลล์สัตว์ไม่มีผนังเซลล์เพื่อปกป้อง

• ในสารละลายที่มีศักย์น้ำสูงกว่า น้ำเข้าสู่และเซลล์อาจแตก การแตกนี้ในเม็ดเลือดแดงเรียกว่า ฮีโมไลซิส
• ในสารละลายที่มีศักย์น้ำต่ำกว่า น้ำออกและเซลล์หดตัว

• อธิบายเยื่อหุ้มเซลล์ในฐานะ โมเสกของเหลว: เป็นชั้นฟอสโฟลิพิดสองชั้นที่มีโปรตีน คอเลสเตอรอล และไกลโคโปรตีน
• จัดประเภทกระบวนการแต่ละชนิด: การแพร่, การแพร่แบบช่วย และออสโมซิสเป็นแบบ ไม่ใช้พลังงาน (ตาม gradien); การลำเลียงแบบ aktifและเอนโด/เอกโซไซโทซิสต้องใช้ ATP และสามารถเคลื่อนที่สวนทางกับ gradienได้
• สำหรับการแพร่ของน้ำ (osmosis) ต้องใช้ ศักย์น้ำ ($\Psi$): น้ำเคลื่อนที่จาก สูง (ค่าน้อยกว่าเป็นลบ) ไปยังต่ำ (ค่าน้อยกว่าเป็นลบ) $\Psi$; น้ำบริสุทธิ์มีค่า $0$ ซึ่งเป็นค่าสูงสุด
• ระบุผลลัพธ์โดยชนิดเซลล์: เซลล์พืชแข็งตัวหรือเกิดพลาสมอลิซิส; เซลล์สัตว์แตกหรือมีรูปร่างขรุขระ — เชื่อมโยงกับ gradien ของศักย์น้ำ